(57)【要約】    【課題】  接地の確保が難しい状態においても感度よく検出動作を行うことが可能な静電容量式検出装置を提供すること。    【解決手段】  対象物の表面形状を検出する静電容量式検出装置であって、対象物との距離に応じた静電容量の変化を生じる静電容量検出素子を複数含んでなる検出手段(10)と、検出手段(10)に対する電力供給を担う電源(12)と、電源(12)の基準電位側と電気的に接続された導電体(14)と、対象物が導電体(14)に接触したか否かを判定し、当該接触があったときに検出手段(10)の動作を有効とする判定手段(16,18)と、を含む静電容量式検出装置。【選択図】    図１
2005121462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面形状を検出する静電容量式検出装置であって、
前記対象物との距離に応じて静電容量の変化を生じる静電容量検出素子を複数含んでなる検出手段と、
前記検出手段に対する電力供給を担う電源と、
前記電源の基準電位側と電気的に接続された導電体と、
前記対象物が前記導電体に接触したか否かを判定し、当該接触があったときに前記検出手段の動作を有効とする判定手段と、
を含む静電容量式検出装置。  
【請求項２】
前記検出手段と前記導電体とが離間して配置される、請求項１に記載の静電容量式検出装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記対象物が前記導電体に接触する動作に連動して導通するように構成されたスイッチを含む、請求項１に記載の静電容量式検出装置。  
【請求項４】
前記判定手段は、判定動作を実行可能な状態である稼働モードと当該判定動作を停止した状態である待機モードとを有し、前記スイッチが導通したときに前記待機モードから前記稼働モードに遷移するように構成されており、前記待機モードから前記稼働モードへの遷移が生じたことをもって前記対象物が前記導電体へ接触したと判定する、請求項３に記載の静電容量式検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式検出装置を含んでなる指紋センサと、
前記指紋センサによって検出された指紋画像を用いて指紋認証を行う画像処理手段と、
を含んで構成される指紋認証装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式検出装置を含んで構成される電子機器。
【請求項７】
静電容量検出素子を複数含んでなる検出手段と当該検出手段に対する電力供給を担う電源とを含んでなる静電容量式検出装置の制御方法であって、  
判定手段が、前記電源の基準電位側と前記対象物とが電気的に接続されたか否かを判定する第１ステップと、
判定手段が、前記第１ステップにおいて肯定的な判断が得られたときに前記検出手段の動作を有効とする第２ステップと、
を含む静電容量式検出装置の制御方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物との距離に応じて変化する静電容量を検出することによって当該対象物の表面形状を検出する静電容量式検出装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型電子機器において、セキュリティ性の向上等を目的として指紋センサを用いた指紋認証機能を搭載したものが知られている。このような携帯型電子機器としては、例えば携帯電話、ＰＤＡ（携帯型個人情報端末装置）、あるいはキャッシュカードやクレジットカード等として用いられるＩＣカードなどが挙げられる。これらの機器に指紋認証機能を組み込むことにより、正規の使用者（例えば機器の所有者など）とは異なる者による機器の不正使用を防止することが可能となる。
【０００３】
携帯型電子機器に組み込む指紋センサとしては、小型化、薄型化が可能な点や低消費電力の点などで有利な静電容量式検出装置を用いたものが好適に用いられる。静電容量式検出装置は所定のパターン（例えばマトリクス状）に配列された複数の静電容量検出素子を含んで構成されており、これらの静電容量検出素子に指などの対象物が接触したときに当該対象物の表面形状が読み取られるようになっている。各静電容量検出素子は電極と誘電体膜とを含み、対象物の表面を他方の電極として当該対象物との間でコンデンサを構成する。このコンデンサの静電容量は静電容量検出素子の電極と対象物との相互間距離に応じて変化するので、各静電容量検出素子における静電容量を検出することによって対象物の表面形状を読み取ることができる。静電容量式検出装置やこれを用いた指紋センサの従来技術は、例えば特開平９−２１８００６号公報（特許文献１）、特開平９−２５１５３０号公報（特許文献２）、特開２０００−１９６０２４号公報（特許文献３）、特開２０００−１９６０２７号公報（特許文献４）、特開２００３−２５４７０６号公報（特許文献５）などの文献に記載されている。また、指紋センサを備える電子機器（ＩＣカード）の従来技術は、例えば特開平１−１５２５９０号公報（特許文献６）などの文献に記載されている。  
【特許文献１】特開平９−２１８００６号公報
【特許文献２】特開平９−２５１５３０号公報
【特許文献３】特開２０００−１９６０２４号公報
【特許文献４】特開２０００−１９６０２７号公報
【特許文献５】特開２００３−２５４７０６号公報
【特許文献６】特開平１−１５２５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
携帯型電子機器は据え置き型機器と異なり接地をとることが難しく、このため機器の相対電位（対大地間の電位）が不安定になりやすい。また携帯型電子機器を使用する人間も静電気を帯びやすく、更にこの帯電の度合いが周辺環境（服装、気候その他）により大きく変動するため、その時々によって相対電位がどのような状態になっているかを予測し難い状況にある。このような状態で指紋センサを動作させようとしても、当該センサを構成する電子回路の動作が不安定となり指紋検出を感度良く行うことが難しい。更に、携帯型電子機器の電位と人体の電位との相対差が大きい状態で指紋検出を行うと、指紋センサに静電破壊が生じる場合もある。これに対して金属等からなる機器の筐体を用いて擬似的に接地をとる手法も考えられているが、かかる手法によっても必ずしも必要十分な接地状態を確保できるとは限らない。更にこの手法は、筐体に金属を用いていないＩＣカード等の電子機器に対しては採用できないという不都合もある。
【０００５】
そこで本発明は、携帯型電子機器に組み込む場合等、接地の確保が難しい状態においても感度よく検出動作を行うことが可能な静電容量式検出装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また本発明は、携帯型電子機器に組み込む場合等、接地の確保が難しい状態においても静電破壊をより確実に回避することが可能な静電容量式検出装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様の本発明は、対象物の表面形状を検出する静電容量式検出装置であって、対象物との距離に応じた静電容量の変化を生じる静電容量検出素子を複数含んでなる検出手段と、この検出手段に対する電力供給を担う電源と、この電源の基準電位側と電気的に接続された導電体と、対象物が導電体に接触したか否かを判定し、当該接触があったときに検出部の動作を有効とする動作制御を行う判定手段と、を含んで構成される静電容量式検出装置である。この静電容量式検出装置は必要十分な接地の確保が難しい状態にある携帯型電子機器に組み込んで用いる際に好適なものであり、特にプラスティック等の非導電体によって本体が構成されるＩＣカードなど、金属筐体による接地の確保が困難な携帯型電子機器に対して極めて有用である。
【０００８】
ここで「判定手段」とは、例えばプログラムされたコンピュータやその他の要素（電子回路等のハードウェア等）を含んで構成されるものである。また「検出手段の動作を有効とする」とは、例えば検出手段に対する電力供給を開始して動作可能にすることを言う。また電力供給の有無の制御ではなく、検出手段が検出結果を出力可能な状態に制御することであってもよい。更には、対象物と導電体との接触がある以前に得られた検出結果については正当なものとして扱われない状態（例えば検出データに「当該データが無効である」旨のフラグを付する等）にし、接触があった後には検出結果が正当なもの（有効なもの）として出力され得る状態にすることであってもよい。
【０００９】
かかる構成では、導電体を介して人間等の対象物と電源の基準電位側との相互間で帯電量を平衡させ、電源の基準電位側（例えば負電源）と対象物とをほぼ同電位とした後に検出手段の動作が有効となるようにしている。これにより、検出手段による検出動作を感度よく行うことが可能となると共に、静電破壊をより確実に回避することが可能となる。
【００１０】
上述した検出手段と導電体とは空間的にある程度の距離を離して（離間して）配置されることが望ましい。これにより、対象物を導電体に接触させ、その後対象物を検出手段に接触させるまでの間にある程度の時間が確実に確保される。従って、より確実に検出手段による検出動作に先立って対象物と電源の基準電位とを同電位とすることができる。
【００１１】
また、判定手段は対象物が導電体に接触する動作に連動して導通するように構成されたスイッチを含むことが好ましい。これにより、接触の有無の検出がより容易かつ確実となる。
【００１２】
判定手段がＣＰＵ等の半導体デバイスを用いて構成されている場合に、当該判定手段は、判定動作を実行可能な状態である稼働モードと当該判定動作を停止した状態である待機モードとを有し、上記スイッチが導通したときに待機モードから稼働モードに遷移するように構成しておくと好適である。この場合に、判定手段は待機モードから稼働モードへの遷移が生じたことをもって対象物が導電体へ接触したと判定するとよい。
【００１３】
判定動作を行う必要がない場合には待機モードに遷移させることにより、判定手段による電力消費を抑えることが可能となる。特に本発明の静電容量式検出装置を携帯型電子機器に組み込むことを想定した場合には、当該機器のバッテリ消耗を抑えて長時間動作が可能となる点で都合がよい。そして、スイッチの導通によって動作モードの切り替えが行われ、更にこれに重畳して対象物と導電体との接触判定がなされるので、制御内容の簡略化が可能となる。
【００１４】
第２の態様の本発明は、上述した静電容量式検出装置を含んで構成される指紋センサと、この指紋センサによって検出した指紋画像を用いて指紋認証を行う画像処理手段と、を含んで構成される指紋認証装置である。
【００１５】
かかる構成によれば、携帯型電子機器に組み込む場合等、接地の確保が難しい状態においても感度よく指紋を検出して指紋認証を行うことが可能であり、かつ静電破壊に対する耐性も高い高性能な指紋認証装置を実現することが可能となる。
【００１６】
第３の態様の本発明は、上述した静電容量式検出装置又は指紋認証装置を含んで構成される電子機器である。ここで「電子機器」とは、一定の機能を奏する機器一般をいいその構成に限定はないが、特に対大地という意味での接地又はこれに準ずる接地を確保することの難しい状況で用いられる電子機器が挙げられる。かかる電子機器としては、例えば、ＩＣカード、携帯電話、ＰＤＡ、電子手帳、ビデオカメラ、いわゆるノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器が挙げられる。
【００１７】
第４の態様の本発明は、静電容量検出素子を複数含んでなる検出手段と当該検出手段に対する電力供給を担う電源とを含んでなる静電容量式検出装置の動作状態を制御する方法であって、電源の基準電位側と対象物とが電気的に接続されたか否かを判定手段が判定する第１ステップと、当該第１ステップにおいて肯定的な判断が得られたときに判定手段が検出手段の動作を有効とする第２ステップと、を含む。ここで「判定手段」及びその動作内容である「検出手段の動作を有効とする」のそれぞれが意味するところについては、上述した第１の態様の本発明の場合と同様である。
【００１８】
かかる制御方法では、人間等の対象物と電源の基準電位側との相互間で帯電量を平衡させ、電源の基準電位側（例えば負電源）と対象物とをほぼ同電位とした後に検出手段の動作が有効となるようにしている。これにより、検出手段による検出動作を感度よく行わせ、かつ静電破壊をより確実に回避可能となるように静電容量式検出装置を動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、本発明が適用される電子機器の一例として、指紋照合によって正規の使用者であるか否かを識別して当該正規の使用者にのみ使用を許容する機能（指紋認証機能）を備えたＩＣカードについて説明する。このようなＩＣカードは例えばクレジットカードやキャッシュカードとして用いられるものであり、スマートカードと称される場合もある。
【００２０】
図１は本発明を適用した一実施形態のＩＣカードの構成を示す図である。また図２はＩＣカードの外観を模式的に示す図である。本実施形態のＩＣカード１００は、指紋検出部（ＦＰＳ）１０、電源１２、接触用電極１４、スイッチ１６、制御部１８、インタフェース（Ｉ／Ｆ）２０を含んで構成される。このＩＣカード１００は、本発明にかかる静電容量式検出装置および指紋認証装置の構成要素を含んで構成されている。具体的には、指紋検出部１０が検出手段に、接触用電極１４が導電体に、スイッチ１６及び制御部１８が判定手段にそれぞれ対応している。かかる静電容量式検出装置を指紋センサとして用いて、これと画像処理手段としての制御部１８とを組み合わせることにより指紋認証装置が構成されている。
【００２１】
指紋検出部１０は、マトリクス状に配置された静電容量検出素子を複数含んでなる検出部であり、人間の指（対象物）が接触した際に指紋（表面形状）を検出する。この指紋検出部１０は、図２に示すように指を接触させるべき面がＩＣカード１００の本体の表面に露出するように形成されている。マトリクス状に配置される複数の静電容量検出素子のそれぞれは、対象物としての人間の指が接触した際に当該指の表面との距離に応じて静電容量の変化を生じるように構成されている。
【００２２】
電源１２は、指紋検出部１０、制御部１８及びインタフェース２０に対する電力供給を担うものである。この電源１２は、ＩＣカード１００に内蔵されるバッテリによって実現される。本実施形態では、ＩＣカード１００を構成する電子回路の基準電位が電源１２の負極Ｖｓｓ（負電源）の側に設定されており、このＶｓｓを基準として電源電圧Ｖｄｄが発生され、指紋検出部１０や制御部１８などに含まれる電子回路が動作する。  
【００２３】
接触用電極（導電体）１４は、金属等の導電性の部材により構成されており、配線を介して電源１２の基準電位側と電気的に接続されている。この接触用電極１４は、指紋検出動作に先立ってその対象物たる指を接触させることにより人体と電源１２の負電源との間で電荷を平衡させて、電源１２の負電源と人体とを略同電位にするために用いられる。このため接触用電極１４は、図２に示すように少なくとも一部がＩＣカード１００の本体の表面に露出している。また接触用電極１４は指紋検出部１０と離間した位置に配置される。本実施形態では、この接触用電極１４に指が接触したときに指紋検出部１０の動作が有効となるように構成している。かかる動作を具現化する構成等の詳細については後述する。
【００２４】
スイッチ１６は、指紋検出の対象物たる指が接触用電極１４に接触する動作に連動して導通するように構成されており、配線を介して制御部１８と接続されている。図３は、上述したスイッチ１６と接触用電極１４との連動を実現する構造の一例を説明する図（断面図）である。同図に示す例では、スイッチ１６の構成要素である可動電極１６ａが絶縁体２２を挟んで接触用電極１４と一体化されている。接触用電極１４に指を触れさせる動作が行われると可動電極１６ａがその下側に配置された固定電極１６ｂと当接し、スイッチ１６が導通状態となる。なお、固定電極１６ｂは制御部１８に繋がる配線の一部を代用して形成してもよい。更に本実施形態では、このスイッチ１６が導通することによりトリガパルスが発生し、制御部１８がその動作状態が待機モード（スタンバイモード）から稼働モードに遷移するように構成している。ここで「稼働モード」とは制御部１８が所定の動作を実行可能な状態であることをいい、「待機モード」とは当該動作の実行を停止した状態であることをいう。操作者の立場からすると、このスイッチ１６を押下する操作はＩＣカード１００の使用に先立って当該カードに電源を入れる（動作可能な状態にする）ために行う操作として位置づけられている。すなわち、操作者はバッテリの消費を抑えるための行為として必要な時にだけスイッチ１６を押下してＩＣカード１００を起動させる操作を行うが、この操作を利用して操作者の指を接触用電極１４に触れさせることが可能となる。これにより、余分な操作を強いられている等の違和感を操作者に与えることなく、指紋検出に先立って接触用電極１４に指を接触させる操作を行わせることが可能となる。
【００２５】
制御部１８は、ＩＣカード１００の機能実現に必要な制御を行うものである。例えば、制御部１８は指紋検出の対象物たる指が接触用電極１４に接触したか否かを判定して当該接触があったときに指紋検出部１０を動作させる制御を行う。指が接触用電極１４に接触したか否かの判定は、例えば接触用電極１４の有する電位の変化を検出する事などの方法で判定することが可能であるが、本実施形態ではより簡便な方法として上述のようにスイッチ１６が導通したときに接触用電極１４と指とが接触した旨の判定を行うようにしている。これにより、簡単な構成で確実に接触用電極１４と指との接触の有無を判断可能となる。また、上述したように本実施形態の制御部１８は稼働モードと待機モードの２種の動作モードを有しており、スイッチ１６が導通したときに待機モードから稼働モードへ遷移してＩＣカード１００の機能を発揮し得る状態となり、使用後には待機モードに遷移するように設定されている。そして制御部１８は、スイッチ１６の導通によって待機モードから稼働モードへの遷移が生じたことをもって、接触用電極１４と指とが接触したとの判定を兼用している。更に制御部１８は、指紋検出部１０によって検出される指紋画像を取得し、当該指紋画像を用いた指紋認証処理を行うことにより、その指紋を有する者がＩＣカード１００の使用者として正規の者であるか否かを判定し、正規の者である場合にのみＩＣカード１００の使用を許容する制御を行う。このように、本実施形態の制御部１８は判定手段としての機能と画像処理手段としての機能を兼ねる。この制御部１８は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成される。或いは、制御部１８はＤＳＰ（Digital Signal Processor）その他の半導体チップを用いて構成されていてもよい。
【００２６】
インタフェース２０は、ＩＣカード１００の使用時にその対象となる外部装置（図示せず）との間で各種情報を送受信するためのものである。このインタフェース２０は、ＩＣカード１００の本体表面に露出して形成される露出電極などの直接接触式のものであってもよく、無線通信を利用するためのアンテナ等の非接触式のものであってもよい。
【００２７】
本実施形態のＩＣカード１００はこのような構成を有しており、次にその動作内容について説明する。図４は本実施形態のＩＣカード１００の動作手順を示すフローチャート（流れ図）である。このフローチャートは主として静電容量式検出装置の構成要素である判別手段としての制御部１８の動作を示すものである。なお以下では、制御部１８が待機モードから稼働モードに遷移して所定の動作を行った後に再び待機モードに遷移するまでの動作を説明する。
【００２８】
制御部１８は接触用電極１４と指とが接触し、電源１２の基準電位側（本例では負電源）と指（対象物）とが電気的に接続されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。上述したように本実施形態の制御部１８は、スイッチ１６が導通したときに待機モードから稼働モードへ遷移するように構成されており、この待機モードから稼働モードへの遷移が生じたことをもって接触用電極１４と指とが接触したとの判定を兼用している。スイッチ１６が導通するまでは制御部１８が待機モードから稼働モードへ遷移することがなく、ステップＳ１００は否定判断（ＮＯ）となる。また、スイッチ１６が導通した場合にはステップＳ１００で肯定判断（ＹＥＳ）がなされ、制御部１８が待機モードから稼働モードへ遷移し、所定の動作を開始する（ステップＳ１０１）。
【００２９】
次に、制御部１８は電源１２から指紋検出部１０に対して電力供給が行われるように制御し、指紋検出部１０の動作を開始させる（ステップＳ１０２）。この制御部１８による処理は指紋検出部１０の動作を有効とする制御に対応している。指紋検出部１０は電力供給が開始されると指紋検出可能な状態となる。
【００３０】
その後、ＩＣカード１００の使用者がその指を指紋検出部１０に接触させると、指紋検出部１０によって指紋が読み取られる。制御部１８は指紋検出部１０によって検出される指紋画像を取得する（ステップＳ１０３）。指紋画像は制御部１８に内蔵されたメモリ等の記憶手段（図示せず）に一時的に格納される。
【００３１】
次に、制御部１８は電源１２から指紋検出部１０に対する電力供給を停止するように制御し、指紋検出部１０の動作を停止させる（ステップＳ１０４）。
【００３２】
次に、制御部１８は指紋検出部１０から取得した指紋画像を用いて指紋照合処理を行い（ステップＳ１０５）、当該指紋画像に対応する使用者が正規の者であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。指紋照合処理としては各種方法を採用し得るものであり、例えば、指紋画像からいくつかの特徴点を抽出し、これを予め内蔵メモリ等に格納しておいた正規の使用者の特徴点と比較照合する手法を採用できる。
【００３３】
取得した指紋画像に対応する使用者が正規の者である場合には上述したステップＳ１０６において肯定判断がなされ、制御部１８はＩＣカード１００を使用許可とする制御を行う。具体的には、インタフェース２０を介して外部装置との間で通信を行い、当該外部装置に対して「使用許可」状態である旨を通知する。その後制御部１８は、ＩＣカード１００の使用にかかる所定の処理を実行する（ステップＳ１０８）。ＩＣカード１００の使用にかかる所定処理が終了し、外部装置からその旨を示す終了信号が送られると、制御部１８はこの終了信号を受けて待機モードに戻る（ステップＳ１０９）。
【００３４】
また上述したステップＳ１０６において使用者が正規の者でなかった場合には否定判断がなされ、制御部１８はＩＣカードの使用を許可しない（使用不可）とする制御を行う（ステップＳ１１０）。具体的には、制御部１８はインタフェース２０を介しての外部装置との通信等の動作を一切行わなわずに待機モードに戻る（ステップＳ１０９）。あるいは、制御部１８はインタフェース２０を介して外部装置との間で通信を行い、当該外部装置に対して「使用不可」状態である旨を通知する動作を行う。
【００３５】
このように本実施形態のＩＣカード１００は、接触用電極（導電体）１４を介して人間の指（対象物）と電源１２の基準電位側（負電源）との相互間が電気的に接続され、電源１２の基準電位側と人体とがほぼ同電位となった後に指紋検出部１０が動作するように構成されている。これにより、指紋検出部１０による指紋検出動作を感度よく行うことが可能となると共に、指紋検出部１０や制御部１８等の静電破壊をより確実に回避することが可能となる。
【００３６】
上述した実施形態を通して説明した本発明にかかる構成は、静電容量式検出装置の全般に対して有用であるが、特に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いるタイプの静電容量式検出装置に対して大きな効果がある。ＴＦＴを用いない一般的なタイプの静電容量式検出装置では、人間が帯電している場合であっても検出動作が可能であるが、そのことによって容量素子に高電界が印加され、破壊に至る場合がある。これに対して本発明の構成によれば、容量素子の破壊を回避可能となる。また、ＴＦＴを用いたタイプの静電容量式検出装置では、人間が帯電している場合には、検出動作が極めて難しい。これに対して、本発明の構成によれば検出可能な範囲を広くすることが可能となる。これら本発明によりもたらされる顕著な技術的効果について、その根拠を以下に説明する。
【００３７】
図５は、ＴＦＴを用いないタイプの静電容量式検出装置の等価回路の一例を示す図である。図示の等価回路において、ＣＦは人間の指（検出対象物）に依存して変化するコンデンサの静電容量（対象物容量）を示し、ＣＳは装置自体に含まれるコンデンサの静電容量（基準容量）を示す。またＶＨは人間の帯電状態によって変わる人体電位であり、ＶＯは装置自体に含まれる電源の電位を示す。ＴＦＴを用いない通常の静電容量式検出装置では、対象物容量ＣＦと基準容量ＣＳとを直列に接続し、これらに所定の電圧を加える。印加された電圧は容量値に応じて分割され、２つのコンデンサの間には指紋等の対象物の凹凸に応じた電位ＶＯＵＴが発生する。この電位ＶＯＵＴは次式のように表され、
【数１】
2005121462.tif 000003
これを測定することで対象物の表面形状が得られる。
【００３８】
ここで、電源電位ＶＯの負電源を基準とした相対的な人体電位ＶＨが負電源電位に等しい場合（ＶＨ＝０の場合）、電位ＶＯＵＴは次式のように表される。
【数２】
2005121462.tif 000004
【００３９】
このとき、指紋の凹凸に対応する静電容量ＣＦを、指紋の谷（くぼんだ部分）に対応するものをＣＶ、指紋の山に対応するものをＣＴとそれぞれ置き換え、それぞれに対応する電位ＶＯＵＴの差を求めることにより、指紋の山と谷の判定ができる。当該電位の差は次式のように表される。なお次式においてＶＯＵＴ（Ｖ）は指紋の谷に対応する電位、ＶＯＵＴ（Ｔ）は指紋の山に対応する電位をそれぞれ示す。
【数３】
2005121462.tif 000005
【００４０】
また、電源電位ＶＯの負電源を基準とした相対的な人体電位ＶＨが負電源電位に等しくない場合（ＶＨ≠０の場合）、電位ＶＯＵＴの差は次式のように表される。
【数４】
2005121462.tif 000006
【００４１】
上述した式によれば、指紋の山と谷の差は必ず表れるので原理的には指紋検出が可能であるが、実際には指紋の検出は困難である。また、偶然に人体電位が負電源電位に窮めて近い場合（ＶＯ≒ＶＨ）には谷と山との電位差が著しく小さくなり（ＶＯＵＴ（Ｖ）−ＶＯＵＴ（Ｔ）≒０）測定ができない。また、ＶＨ＞ＶＯの場合にはＶＯＵＴ（Ｖ）−ＶＯＵＴ（Ｔ）＜０となり、山と谷の検出結果が反転する。したがって、本発明のように、指紋検出に先立って人体と負電源（電源の基準電位側）との相対電位を等しくし（ＶＨ＝０とし）することによって、良好な検出結果が得られるようになる。
【００４２】
図６は、ＴＦＴを用いるタイプの静電容量式検出装置の等価回路の一例を示す図である。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた静電容量式検出装置では当該静電容量式検出装置を構成する行列の各要素（各ピクセル）に信号増幅用のＴＦＴを備える。対象物容量ＣＦと基準容量ＣＳとの間に生じた電位はＴＦＴのゲート電位として利用され、対象物の凹凸に依って変化する静電容量はＴＦＴの電気伝導度に変換されて測定される。具体的には対象物の山が接した際の対象物容量ＣＴを基準容量ＣＳよりも十分に大きくしておき（好ましくはＣＴはＣＳの１０倍以上，ＣＴ＞１０ＣＳ）、かつ対象物の谷が接した際の対象物容量ＣＶを基準容量ＣＳよりも十分に小さく（好ましくはＣＳはＣＶの１０倍以上，ＣＳ＞１０ＣＶ）しておく。ＴＦＴのトランジスタ容量を含んだ基準容量ＣＳをこうした条件を満たすように設定しておくと、人体電位が静電容量式検出装置の負電源電圧と等しいときにＴＦＴのオン／オフを通じて対象物の表面形状を得ることが可能となる。図６に示す等価回路においても、ＣＦ、ＣＳ、ＶＨ、ＶＯ、の各記号の意味は上述した図５の場合と同じである。また、ＶＧは上記図５の場合における電位ＶＯＵＴに対応しており、ここではＴＦＴのゲートに印加していることから当該電位をＶＧと表す。この電位ＶＧは以下のように表される。
【００４３】
【数５】
2005121462.tif 000007
【００４４】
ＶＨ＝０の場合には電位ＶＧは次式のように表される。
【数６】
2005121462.tif 000008
【００４５】
ここで、指紋の山が接した場合における上記電位ＶＧをＶＧＴとおくと、当該電位は以下のように表される。
【数７】
2005121462.tif 000009
ＴＦＴを用いた静電容量検出装置では、ＣＴ≫ＣＳと設定されているので上式からＶＧＴ≒０となり、ＴＦＴはオフ状態となる。
【００４６】
また、指紋の谷が接した場合における上記電位ＶＧをＶＧＶとおくと、当該電位は以下のように表される。
【数８】
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【００４７】
このとき、ＣＳ≫ＣＶと設定されているので上式からＶＧＶ≒ＶＯとなり、ＴＦＴはオン状態となる。これらから、ＴＦＴのオン／オフにより指紋の凹凸を検出することができる。
【００４８】
また、人間が帯電しておりＶＨ≠０の場合には電位ＶＧは次式のように表される。
【数９】
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【００４９】
ここで、指紋の山が接した場合における電位ＶＧＴは以下のように表される。
【数１０】
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今、ＣＴ≫ＣＳと設定してあるので、ＶＨ≧ＶＯのときには、ＶＧＴ≒ＶＨ≧ＶＯとなり、ＴＦＴはオン状態となる。
【００５０】
また、指紋の谷が接した場合における電位ＶＧＶは以下のように表される。
【数１１】
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上式において、ＶＨ≧ＶＯのときにはＶＧＶ≧ＶＯとなり、ＴＦＴはオン状態となる。
【００５１】
すなわち、ＶＨ≧ＶＯのときにはいつでもＴＦＴがオン状態となるので、指紋の山と谷（凹凸）の検出できない。したがって、本発明のように、指紋検出に先立って人体と負電源（電源の基準電位側）との相対電位を等しくし（ＶＨ＝０とし）することによって、ＴＦＴを用いた静電容量式検出装置においても良好な検出結果が得られるようになる。
【００５２】
以上の説明にように、本発明は特にＴＦＴを用いた静電容量式検出装置やこれを含む指紋センサに適用することにより、その検出範囲を著しく広げるという固有の効果を有する。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ＣＰＵ等を含む制御部１８とスイッチ１６を組み合わせて判定手段を構成していたが、判定手段の具体例はこれに限定されるものではない。例えば、比較的に単純な構成の論理回路とスイッチを組み合わせにより判定手段を構成し、スイッチ１６が導通したか否かを検出することも可能である。またスイッチを用いずに、接触用電極１４の電位変化を検出する検出回路と制御部（又は論理回路等）とを組み合わせて判定手段を構成することも可能である。
【００５４】
また上述した実施形態では、制御部１８の動作モードの遷移と重畳して接触用電極１４への指の接触の有無を判定していたが必ずしもこのような構成を採用する必要はなく、動作モードの切り替え操作と接触用電極１４への接触の有無とを別個に判断してもよい。
【００５５】
また上述した実施形態では、本発明にかかる静電容量式検出装置を含んで指紋センサを構成していたが、静電容量式検出装置の適用範囲は指紋センサに限定されるものではない。更に、本発明の適用した電子機器の一例としてＩＣカードを説明していたが、これ以外にも携帯電話やＰＤＡなど種々の電子機器に対して本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した一実施形態のＩＣカードの構成を示す図である。
【図２】ＩＣカードの外観を模式的に示す図である。
【図３】スイッチと接触用電極との連動を実現する構造の一例を説明する図である。
【図４】ＩＣカードの動作手順を示すフローチャート（流れ図）である。
【図５】ＴＦＴを用いないタイプの静電容量式検出装置の等価回路の一例を示す図である。
【図６】ＴＦＴを用いるタイプの静電容量式検出装置の等価回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…指紋検出部、  １２…電源、  １４…接触用電極、  １６…スイッチ、  １８…制御部、  ２０…インタフェース、  １００…ＩＣカード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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